La découpe de métal – gratter une fine couche de matériau de la surface d’un métal à l’aide d’un couteau tranchant (un peu comme nous grattons du beurre) – n’est peut-être pas la première chose qui nous vient à l’esprit pour étudier les propriétés des matériaux. Cependant, les Drs. Dinakar Sagapuram et Hrayer Aprahamian, professeurs adjoints au département d’ingénierie industrielle et des systèmes Wm Michael Barnes ’64, voulaient voir si le processus pouvait prédire le comportement des matériaux dans diverses conditions de déformation. Leur équipe comprenait Harshit Chawla, un doctorant en génie industriel et des systèmes, et le Dr Shwetabh Yadav, professeur adjoint à l’Indian Institute of Technology Hyderabad.

« La connaissance de la façon dont les matériaux se déforment et échouent dans des conditions mécaniques difficiles est essentielle pour étudier et développer diverses applications technologiques, y compris les processus de fabrication, les essais de collision des véhicules et les essais d’impact pour les applications liées à la défense », a déclaré Chawla.

Étant donné que le processus de découpe implique de cisailler localement ou de déformer le métal à des niveaux extrêmes à des taux élevés, l’équipe a émis l’hypothèse qu’il pourrait fournir des informations fondamentales sur la résistance du matériau, sa résistance à la déformation plastique ou au changement de forme irréversible.

« La recherche ouvre une application nouvelle et intéressante pour la coupe des métaux en tant que » test de propriété « que les scientifiques et les physiciens des matériaux peuvent utiliser pour tester leurs théories », a déclaré Sagapuram. « Le nombre de théories mathématiques de la plasticité du métal sous des taux de déformation élevés dépasse de loin les données expérimentales. Ainsi, les informations sur les propriétés obtenues à l’aide de la coupe du métal peuvent tester quelles théories sont valides et lesquelles ne le sont pas. »

L’équipe utilise une caméra à grande vitesse pour observer comment les métaux se déforment et se cisaillent lorsqu’ils rencontrent un outil de coupe tranchant, puis utilise ces informations pour en déduire leurs informations de propriété de base. Un défi important, cependant, réside dans l’obtention de propriétés matérielles intrinsèques à partir des données d’imagerie visuelle à grande vitesse. Bien que la coupe des métaux ne soit pas le domaine d’expertise d’Aprahamian, le partenariat avec Sagapuram a généré de nouvelles idées et techniques numériques.

« Un aspect important de cette recherche est d’établir des techniques d’optimisation mathématique qui garantissent l’optimalité globale, obtenant ainsi la meilleure solution possible », a déclaré Aprahamian. « Sinon, vous pourriez obtenir des solutions qui semblent satisfaisantes, mais qui ne décrivent pas précisément le matériau. »

Les avantages de la coupe des métaux par rapport aux méthodes d’essai utilisées aujourd’hui sont qu’elles sont simples et peuvent produire une gamme de conditions difficiles à atteindre à l’aide d’essais conventionnels, mais qui sont importantes du point de vue de diverses applications d’ingénierie.

« Nous sommes enthousiasmés par la perspective d’utiliser la coupe comme méthode pratique pour déterminer les propriétés des matériaux qui ne sont maintenant obtenues qu’avec des difficultés considérables », a déclaré Sagapuram. « Parce que c’est si simple, en principe, toute personne ayant accès à un atelier d’usinage peut désormais obtenir des données sur les matériaux sans capacités de test sophistiquées. »

L’équipe a récemment publié ses travaux dans le Actes de la Royal Society A journal, avec un autre article sur les techniques numériques en préparation. Une subvention de la National Science Foundation soutient la recherche.

Sagapuram a déclaré que l’équipe a récemment commencé à collaborer avec le laboratoire national de Los Alamos, soutenu par le bureau des laboratoires nationaux du système de l’université A&M du Texas, pour comparer leurs données avec les plates-formes de test de résistance dynamique des matériaux plus établies disponibles sur place au laboratoire. Ces études contribueront à valider la méthode et à vérifier si différentes expériences sur le même métal fournissent des données cohérentes.

Aprahamian a déclaré que leur travail pour développer des techniques mathématiques avait également des applications potentielles en dehors de la caractérisation des matériaux.

« Mon groupe étend certains de ces algorithmes et techniques au domaine des soins de santé, où nous utilisons des outils d’optimisation globale pour construire des stratégies de dépistage robustes », a déclaré Aprahamian. « Cela peut être utilisé pour prévenir de futures épidémies et améliorer le dépistage des maladies infectieuses parmi la population. »

Chawla a déclaré que la recherche lui avait permis de travailler dans un domaine qui l’intéressait depuis des années.

« Il était intéressant d’étudier la mécanique du processus de coupe du métal en utilisant des techniques expérimentales innovantes », a déclaré Chawla. « Avoir pu observer de près la déformation du matériau pendant la découpe, en particulier au niveau microscopique à des fréquences d’images élevées, était fascinant. »